BMW VANOS - zmienne fazy rozrządu z Monachium

VANOS (z niem. Variable Nockenwellen Steuerung) został po raz pierwszy zastosowany w silniku M50 w 1992 roku. Jednostka ta była montowana m.in. w BMW serii 5 (E34) oraz serii 3 (E36). W przeciwieństwie do takich systemów jak VTEC czy MIVEC, niemiecki patent jest w stanie zmieniać jedynie moment otwierania się i zamykania zaworów dolotowych (a w wersji Double VANOS także i wylotowych). Poprzez operowanie cały czas tą samą krzywką, nie zmienia się całkowity czas otwarcia zaworów, bądź ich wznios. Do tego służy Valvetronic.

System płynnej zmiany wzniosu zaworów był już przez nas opisywany, dlatego tylko pokrótce przypomnę jego działanie. Valvetronic jest bezstopniową regulacją wzniosu zaworów dolotowych w BMW. Wielkość zasysanego ładunku powietrza nie jest regulowana przepustnicą, a poprzez zmienny skoku zaworu ssącego.

Skok zaworów może się zmieniać od 0,25 mm aż do 9,8 mm. Takie sterowanie dawką powietrza zmniejsza zaburzenia przepływu ładunku dozowanego bezpośrednio na cylindrze i zwiększa jego prędkość co sprzyja lepszemu napełnieniu komory spalania. Valvetronic jest uzupełnieniem VANOSa, gdzie pierwszy system nigdy nie występuje bez tego drugiego, aczkolwiek odwrotna sytuacja może mieć miejsce.

VANOS do zmiany kąta fazowego, a więc momentu otwarcia zaworów wykorzystuje obrót całego wałka rozrządu względem koła, które go napędza. Na końcu wałka rozrządu nacięty jest wielowypust, umieszczony pod kątem do osi wałka. Nakrętka (3), która na nim się znajduje ma również na swojej powierzchni nacięty wielowypust zorientowany równolegle z osią, wzdłuż której może się przesuwać. Jako że nakrętka nie ma możliwości obrotu, to przesuwając się wzdłuż osi wałka wymusza jego obrót, a tym samym zmianę kąta fazowego.

Sterowanie nakrętki odbywa się hydraulicznie, pod wpływem ciśnienia cieczy roboczej. Obok nakrętki znajdują się dwie komory wypełnione cieczą, oddzielone cienkim tłoczkiem (2) przylegającym ściśle do nakrętki. To właśnie ten tłoczek wymusza ruch nakrętki wzdłuż osi wałka. Ciecz wpływa do komór za pośrednictwem zaworów elektromagnetycznych (1), które zajmują się kontrolą ciśnienia w nich panujących.

Jeśli np. zostanie otwarty zawór w zielonej komorze (wg. rysunku powyżej), to spowoduje to napływ oleju do tej komory, który będzie wywierał ciśnienie na tłoczek, a tym samym popychał nakrętkę w kierunku wałka. W takim przypadku nastąpi wyprzędzenie kąta przesunięcia fazowego. Jeśli nakrętka oddala się od wałka, to efektem jest cofnięcie kąta przesunięcia fazowego.

Pierwsza generacja systemu VANOS nie posiadała płynnej bezstopniowej regulacji. Odbywała się ona dwustopniowo. Poniżej pewnych obrotów (zależnie od pojemności silnika mogło to być 1000 obr./min. lub 3000 obr./min.) wał rozrządu obracany był w taki sposób, aby zmniejszyć kąt otwarcia zaworów dolotowych. Otwierały się one nieco później, przez co kąt przekrycia zaworów (kąt pomiędzy otwarciem zaworów dolotowych, a zamknięciem zaworów wylotowych) w pobliżu ZZ był mniejszy tak jak i zasysanie spalin do cylindra. Silnik lepiej pracował na biegu jałowym.

W średnim zakresie prędkości obrotowych wałek rozrządu obracany był w przeciwną stronę, tak, aby zawory dolotowe otwierały się wcześniej. Kąt przekrycia zaworów wzrastał w pobliżu ZZ i tworzyła się wewnętrzna recyrkulacja spalin sprzyjająca zmniejszaniu ilości spalin dostających się układu wydechowego.

Jako że sam czas otwarcia zaworów nie mógł się zmienić, to dzięki wcześniejszemu zamykaniu się zaworów dolotowych rósł także moment obrotowy (w wyniku wzrostu ciśnienia w cylindrach). Po przekroczeniu wyższych prędkości obrotowych (ok. 4500 obr./min.) wał rozrządu ustawiany był ponownie w położeniu, które zapewniało późniejsze otwarcie zaworów, a tym samym uzyskanie maksymalnej mocy silnika.

W nowszych silnikach stosowany jest system VANOS regulujący bezstopniowo położenie kątowe wałka rozrządu. Zależne jest one od obciążenia i prędkości obrotowej silnika. System Double VANOS obsługuje za to także zawory wylotowe. Ten system ciągłej regulacji działający w całym zakresie obrotów silnika posiada szybszy układ elektrohydrauliczny. Faza przełączania trwa w nim jedynie 0,25 sek.

Dzięki systemowi VANOS udało się obniżyć spalanie oraz ilość trujących substancji wydzielanych do atmosfery z gazami wylotowymi. Double VANOS pomaga także szybciej nagrzewać katalizator. Układ zmiennych faz rozrządu stosowany w BMW przede wszystkim pozwolił na znaczny wzrost momentu obrotowego w zakresie niskich i średnich prędkości obrotowych.